[논문 리뷰] Searches for neutrinos in the direction of radio-bright blazars with the ANTARES telescope

ANTARES Collaboration, A. Albert외 163명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 13.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 68인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 ANTARES 중성자율 탐지기와 함께 고에너지 중성자율을 방사선 빛나는 블라자로부터 찾기 위해 방향성 및 시간에 따라 변화하는 분석을 수행한다. 두 블라자 J1355−6326(3.7σ)와 J1826+1831(3.3σ)에서 전자기 활동과 관련된 중성자율 플레어에 대한 일시적인 증거를 발견하였으며, J0242+1101에서 중성자율 방출과 다중파장 플레어 사이에 유의미한 시간적 일치가 있었고, 이는 중성자율 플레어와 전자기 플레어 간의 잠재적 연관성을 시사한다(p = 0.5%).

ABSTRACT

Active galaxies, especially blazars, are among the most promising neutrino source candidates. To date, ANTARES searches for these objects considered GeV-TeV $γ$-ray bright blazars. Here, a statistically complete radio-bright blazar sample is used as the target for searches of origins of neutrinos collected by the ANTARES neutrino telescope over 13 years of operation. The hypothesis of a neutrino-blazar directional correlation is tested by pair counting and by a complementary likelihood-based approach. The resulting post-trial $p$-value is $3.0\%$ ($2.2σ$ in the two-sided convention), possibly indicating a correlation. Additionally, a time-dependent analysis is performed to search for temporal clustering of neutrino candidates as a mean of detecting neutrino flares in blazars. None of the investigated sources alone reaches a significant flare detection level. However, the presence of 18 sources with a pre-trial significance above $3σ$ indicates a $p=1.4\%$ ($2.5σ$ in the two-sided convention) detection of a time-variable neutrino flux. An extit{a posteriori} investigation reveals an intriguing temporal coincidence of neutrino, radio, and $γ$-ray flares of the J0242+1101 blazar at a $p=0.5\%$ ($2.9σ$ in the two-sided convention) level. Altogether, the results presented here suggest a possible connection of neutrino candidates detected by the ANTARES telescope with radio-bright blazars.

연구 동기 및 목표

• ANTARES 탐지기로 감지된 고에너지 중성자율의 원천으로서 방사선 빛나는 블라자가 존재하는지 조사하는 것.
• 특히 라디오 및 감마선 대역에서의 전자기 플레어와 중성자율 사건 간의 시간적 상관관계를 테스트하는 것.
• 특히 IceCube의 HESE 측정치와 관련하여 다양한 스펙트럼 가정 하에 블라자로부터의 중성자율 플럭스를 제약하는 것.
• 다중 시험 및 시험 요인을 보정한 후 관측된 중성자율 플레어의 유의미성 평가.
• 확산 고에너지 중성자율 배경의 주요 구성 요소로서 블라자의 잠재적 역할 탐색.

제안 방법

• VLBI 목록에 기반한 107개의 방사선 빛나는 블라자로부터 중성자율을 향한 방향성 탐색을 수행하였으며, 2007년부터 2017년까지 ANTARES 데이터를 사용하였다.
• 에너지 스펙트럼 지수 E−γ를 가정한 파wer-라우지 스펙트럼을 가정하여, 이러한 소스 방향에서 중성자율 플럭스 과잉 여부를 검증하기 위해 가능도 기반 방법을 적용하였다.
• 비구속 최대 가능도 방법을 사용하여 트랙 유사 및 쇼어 유사 중성자율 사건에서의 플레어 활동을 식별하는 시간 의존성 분석을 수행하였다.
• 다중 시험에 대비하여 후시험 p-값을 계산하여 플레어 후보의 유의미성 평가 시 보정하였다.
• 라디오(OVRO 40-m) 및 감마선(Fermi-LAT) 빛의 세기 변화 데이터와 중성자율 빛의 세기 변화를 비교하여 시간적 일치 여부를 평가하였다.
• 특히 약 100 테바전자볼트에서 IceCube HESE 플럭스 기여도를 제약하기 위해 다양한 스펙트럼 지수(E−γ)에 대해 중성자율 플럭스 상한을 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 방사선 빛나는 블라자는 ANTARES로 감지 가능한 고에너지 중성자율의 중요한 원천인가?
• RQ2 블라자에서 중성자율 플레어와 전자기 플레어 사이에 통계적으로 유의미한 시간적 상관관계가 존재하는가?
• RQ3 방사선 빛나는 블라자로부터의 중성자율 플럭스 상한은 얼마이며, 100 테바전자볼트에서 IceCube HESE 플럭스와 비교해보면 어떠한가?
• RQ4 다수의 플레어 원천의 누적 효과는 감지될 수 있는가? 이는 인구 수준의 중성자율 방출 패tern을 시사하는가?
• RQ5 중성자율 방출과 다중파장 플레어(예: 라디오 및 감마선 대역) 사이에 물리적 연결이 존재하는가?

주요 결과

• 다수의 블라자로부터의 중성자율 플레어 누적 효과는 후시험 p-값 0.014(2.5σ)로 감지되어 인구 수준의 상관관계 가능성을 시사한다.
• 가장 뚜렷한 개별 플레어는 J1355−6326(사전 시험 3.7σ)와 J1826+1831(사전 시험 3.3σ)에서 관측되었지만, 다중 시험 보정 후에는 유의미성이 유지되지 않는다.
• J0242+1101에서 중성자율 플레어와 뚜렷한 다중파장 전자기 플레어 사이에 놀라운 시간적 일치가 발견되었으며, 우연의 확률은 단지 0.5%에 불과하다.
• VLBI 블라자로부터의 중성자율 플럭스는 제약을 받으며, 상한 값은 스펙트럼 지수 E−2.3일 경우 약 100 테바전자볼트에서 IceCube HESE 플럭스의 최대 약 50% 기여 가능성을 시사한다.
• 가능도 기반 방법은 VLBI 플럭스 밀도 비례 중성자율 플럭스에 대해 p-값 0.03을 도출하여, 일시적인 상관관계는 있으나 아직 확실하지 않은 결과를 지지한다.
• 결과는 블라자 중성자율 방출이 매우 변동성이 크며 전자기 플레어와 관련되어 있을 수 있음을 시사하지만, 다른 원천 집단(예: 가능성이 있는 은하계 성분 포함)이 확산 중성자율 배경에 기여하고 있을 가능성이 높다.